攪拌杯及使用該攪拌杯的破壁機研究

孫毅

（廣東美的生活電器制造有限公司，廣東佛山 528311）

0.引言

以實用性、創(chuàng)新性為原則對攪拌杯進行設(shè)計、分析，其結(jié)構(gòu)與其他破壁機相似，包括過濾網(wǎng)、杯體等，但本文研究的攪拌杯內(nèi)部所設(shè)計的過濾網(wǎng)具有可移動屬性，可以應(yīng)用手柄對過濾網(wǎng)進行控制，調(diào)整攪拌杯內(nèi)的攪拌空間，使得破壁機在工作之中擾流效果與攪拌效率均有所提高，使得破壁機的出渣率、研磨和攪拌效果有所增強。

1.破壁機技術(shù)原理概述

以實用性、功能性為目標導(dǎo)向?qū)ζ票跈C以及使用破壁機的攪拌杯進行設(shè)計應(yīng)用。對破壁機的技術(shù)應(yīng)用背景進行分析，其主要包括以下幾點內(nèi)容：

（1）破壁機具備豆?jié){機、研磨機、榨汁機等產(chǎn)品的主要功能，可以實現(xiàn)一體多用。攪拌杯的過濾網(wǎng)具有可調(diào)節(jié)屬性，可以適用不同類物體的攪拌，使用過程中可以瞬間破壞攪拌物的細胞壁，發(fā)揮營養(yǎng)、增加口感，人體對攪拌后食物的吸收效果也有所增強。其攪拌食物主要應(yīng)用電機激進型驅(qū)動，攪拌杯內(nèi)的刀頭以快速旋轉(zhuǎn)的方式，實現(xiàn)對區(qū)域空間內(nèi)食物的破碎處理[1]。

（2）根據(jù)現(xiàn)有的破壁機性能應(yīng)用分析，在攪拌切割食物的過程中，由于部分大塊食物殘渣在攪拌杯內(nèi)受力的作用產(chǎn)生飛濺效果，導(dǎo)致刀頭與食物殘渣的接觸面積有所減少，使得食物無法被完全切碎。尤其是在處理一些形狀比較黏稠的物體時或者性質(zhì)比較堅硬的物體時，在均勻力的帶動下，使得部分食物殘渣無法完全破碎，食用口感比較差。

（3）設(shè)計攪拌杯，并將其應(yīng)用到破壁機之中，充分考慮到攪拌杯內(nèi)的刀片與攪拌物體之間的接觸面積及接觸方式，使其攪拌更加均勻。攪拌杯中的刀頭設(shè)計是基礎(chǔ)，比較常見的方式是增加攪拌杯內(nèi)的刀頭數(shù)量，或者優(yōu)化刀頭的結(jié)構(gòu)，并輔助應(yīng)用擾流筋起到增加刀頭與攪拌物接觸面積的作用。攪拌物在刀頭的旋轉(zhuǎn)作用下會接觸到攪拌杯內(nèi)的擾流筋，并撞擊到攪拌杯的側(cè)壁位置，使得原本的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生一定程度的改變，與刀頭的接觸面積、接觸概率均會有所增加，使得流體效果良好。在通常情況下，破壁機所使用攪拌杯參數(shù)型號多為1L或者2L左右，大空間的攪拌杯設(shè)計使得擾流效果有所下降，但如果單純的增加擾流筋的數(shù)量，則會使得攪拌杯的制造工藝復(fù)雜，甚至會增加生產(chǎn)成本。

2.破壁機結(jié)構(gòu)特征分析

本文充分考慮到攪拌杯的性能、工作原理、攪拌過程中存在的問題，設(shè)計一種新型的攪拌杯，并設(shè)計了使用該攪拌杯的破壁機在使用過程中會使得攪拌更加充分，在減少制作成本的同時，保障攪拌效果，提高擾流性能?；跀嚢璞褂玫钠票跈C設(shè)計如下。

（1）攪拌杯設(shè)計應(yīng)用設(shè)置過濾網(wǎng)和杯體結(jié)構(gòu)，并在杯體底部位置設(shè)置用于攪拌食物的刀頭，處于內(nèi)側(cè)位置。過濾網(wǎng)在攪拌杯內(nèi)的安裝采用滑動嵌入的方式，通過手工滑動操作的方式可以將其安裝到攪拌杯上。過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)以攪拌杯的杯口位置為主要方向金屬突出設(shè)計，并在四周位置設(shè)置密封圈防止攪拌作業(yè)期間出現(xiàn)溢流等問題。連接桿是連接過濾網(wǎng)與攪拌杯的主要結(jié)構(gòu)，并向攪拌杯的外部區(qū)域延伸，在外部位置設(shè)置相應(yīng)的控制器和控制按鈕，可以實現(xiàn)對過濾網(wǎng)的移動調(diào)整。

（2）為增加過濾網(wǎng)的功能性和可調(diào)整性，以縱向方向?qū)^濾網(wǎng)進行設(shè)計，使得其截面位置呈現(xiàn)出波浪狀的情況[2]。

（3）密封圈結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)密封物，結(jié)構(gòu)形態(tài)以弧狀為主，與過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)連接部位，處于攪拌杯的外部區(qū)域，并在杯口位置的方向，略微傾斜相應(yīng)的角度。

（4）破壁機所應(yīng)用的承臺為圓形結(jié)構(gòu)，直徑為13cm，攪拌杯杯口位置的直徑約為18cm，略微大于承臺底部的直徑大小。

（5）杯蓋設(shè)計覆蓋在杯口位置，可以完全密封，亦可打開。杯蓋位置是連接桿穿過與其他結(jié)構(gòu)結(jié)合的主要路徑通道，設(shè)置相應(yīng)的通孔，以供結(jié)構(gòu)連接。

（6）手柄位置設(shè)計與杯蓋設(shè)計之間采用具有彈性的材料進行設(shè)計，杯蓋位置同樣設(shè)置相應(yīng)的手柄，可以對結(jié)構(gòu)進行定位。

（7）擾流筋共計2條，在攪拌杯的兩側(cè)位置進行設(shè)計，其主要作用是增加攪拌杯表面的攪拌摩擦效果，過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)與擾流筋相連接，并設(shè)計相應(yīng)缺口，使得兩者之間的適配性有所增加。

（8）連接桿外部呈現(xiàn)出螺紋狀，可以連接入通孔位置，兩者之間的螺紋可以相匹配。

（9）刀頭設(shè)計應(yīng)用為鋸齒形、直線形，將兩種刀頭組合安設(shè)到攪拌杯底部，增加攪拌杯的攪拌效果。

本文研究的攪拌杯以及使用攪拌杯的破壁機是一種具有適用性、實用性的新型破壁機。其最主要依靠底座的支撐功能，并在底座結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)有相應(yīng)的主機系統(tǒng)，安裝電機進行刀頭驅(qū)動。攪拌機所使用的刀頭與電機裝置連接，使得整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，通過對按鈕的設(shè)置應(yīng)用可以實現(xiàn)簡單的操作功能，實現(xiàn)對過濾網(wǎng)的科學調(diào)整。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1中所標示內(nèi)容，100（底座）、201（杯體）、202（過濾網(wǎng)）、203（刀頭）、204（密封墊）、205（連接裝置）、206（手柄控制器）、211（擾流筋）、213（彈性結(jié)構(gòu)）、214（握把）、300（蓋子）?；谏鲜鲂蛱柧幣藕徒Y(jié)構(gòu)零件組合，實現(xiàn)對該攪拌杯的破壁機設(shè)計應(yīng)用。

3.攪拌機出渣率及其性能驗證

3.1 性能評價指標體系建立

對攪拌杯及攪拌杯所使用的破壁機進行性能驗證，建立性能、效率評價指標，通過在攪拌杯內(nèi)添加黃豆食材對出渣率進行檢驗，按照添加原材料、攪拌、篩除、烘干、稱量的步驟對其進行質(zhì)量檢驗。將出渣率作為攪拌杯所使用的破壁機的應(yīng)用性能，將相同質(zhì)量的黃豆添加至攪拌機之中，對烘干后與攪拌前黃豆材料的比例進行計算，比值越小則說明效果越好，攪拌出渣率越低。

3.1.1 湍流動能指標

湍流指標體系是指破壁機運轉(zhuǎn)過程中攪拌杯的使用會在攪拌杯內(nèi)部產(chǎn)生湍流效果，如果攪拌杯內(nèi)部的湍流效果比較好，則會使得破壁機使用后的出渣率有所降低，如果湍流動能比較低，則會導(dǎo)致出渣率有所增加，考慮到計算區(qū)域?qū)ν牧鲃幽苤g的差異，計算刀頭與攪拌杯之間的距離為20cm，距離被堵的距離為1.2cm，距離刀頭越近的位置，湍流速度越快，隨著攪拌物與刀頭距離不斷擴大，湍流速度也會隨之降低。以湍流動能評價出渣率指標，在啟動的狀態(tài)下對其進行分析，無法破碎食材的區(qū)域無需進行湍流動能評價，僅僅對刀片位置的湍流動能進行分析即可。刀頭旋轉(zhuǎn)過程中的轉(zhuǎn)速可以達到15000RPM，刀頭齒距比較鋒利，切割力比較強。啟動后除電機和刀頭之外，其他的結(jié)構(gòu)處于相對靜止的狀態(tài)，在刀頭位置的湍流動能可以達到50m2/s2，距離刀尖、刀刃位置越近，動能越強[3]。

考慮到湍流動能對攪拌杯在破壁機中的應(yīng)用進行分析，湍流動能與出渣率呈反比關(guān)系。使用過濾網(wǎng)即將渣體比較大的作檢驗對比對象，雖然可能會存在一定的差距，但可以用于對破壁機性能、質(zhì)量的科學評價。破壁機運轉(zhuǎn)過程中，攪拌杯的內(nèi)部液體流動情況圍繞旋渦中心，處于旋渦周邊的位置流速比較大，但承受的壓強比較小，對外側(cè)流體具有一定的吸力，將周圍的物體吸引到底部位置，實現(xiàn)對攪拌物的反復(fù)攪拌。該指標體系指出，距離中心區(qū)域越近的位置，液體的流動性越強，攪拌效果越好，出渣率越低。

3.1.2 流體速度指標體系

流體速度是指破壁機在運轉(zhuǎn)過程中由于刀頭的旋轉(zhuǎn)所使得液體發(fā)生相應(yīng)旋轉(zhuǎn)的過程。攪拌杯中的刀片在遠動過程中會在中心區(qū)域不斷對食物進行掃打，使得液體處于上下圍繞運動的狀態(tài)下，使得不同區(qū)域的流體速度會產(chǎn)生一定的變化?？紤]到攪拌杯中結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)流體速度，會使得攪拌對象受到壓強或者流動的作用，使粒子變小。通過對攪拌杯上部區(qū)域、側(cè)面區(qū)域、下方區(qū)域的流體速度指標分析，對其軸向速度進行計算，觀察破壁機在相同變量條件下的性能指標。

3.1.3 刀片力矩指標體系

攪拌杯中的刀片位置是影響破壁機使用性能的主要因素之一，除考慮到轉(zhuǎn)速、流量、動能等指標之外，也要對攪拌杯內(nèi)刀片的力矩指標進行分析，評價刀頭應(yīng)用時的具體功率。刀片力矩體系指標通過應(yīng)用數(shù)值計算的方式求出最終解，用于對轉(zhuǎn)動的力矩值進行評價，衡量攪拌杯對于破壁機的應(yīng)用效果。

3.2 出渣率結(jié)果評價

使用攪拌杯對黃豆食材進行攪拌處理，將其投入到破壁機中，使用順扭刀頭對其進行處理，計算所得的出渣率為5.85%。根據(jù)湍流動能評價指標、流體速度評價指標、力矩評價指標對攪拌杯及使用該攪拌杯的破壁機性能進行綜合評價分析，具體如下。

3.2.1 湍流動能評價結(jié)果

湍流動能下的出渣率評價應(yīng)以黏度指標為核心，評價攪拌杯使用的效果。在順時針、逆時針的情況下對破壁機進行操作控制，穩(wěn)定對攪拌裝置下達命令，計算域內(nèi)的湍流動能變化的黏度指標逐漸減少，攪拌杯中擾流筋、結(jié)構(gòu)設(shè)計對湍流濃度產(chǎn)生一定的影響，所計算的湍流黏度指標為7962kg/m-s，破壁機運行的基本功率為600W。應(yīng)用湍流動能指標實現(xiàn)對出渣率的評價分析，計算域內(nèi)的湍流黏度指標，其黏度計算結(jié)果越高，則表示性能越好，考慮到刀片表面位置與其他位置之間的距離會對最終的計算結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。在破壁機穩(wěn)定運行的狀態(tài)下，對攪拌杯底部刀片位置的湍流黏度參數(shù)進行綜合計算，刀片位置計算所得的湍流黏度的平均值為8968kg/m-s[4]。

采用瞬態(tài)計算的方式將攪拌杯內(nèi)不同區(qū)域的湍流動能轉(zhuǎn)化成為湍流黏度進行計算。使得攪拌杯在穩(wěn)定的狀態(tài)下進行設(shè)計，對不同區(qū)域的湍流黏度指標進行計算。指標體系之中指出，湍流黏度對出渣率有著一定程度的影響，湍流黏度越高，則出渣率越低，本文所研究的攪拌杯在破壁機上的使用效果十分良好，其攪拌杯內(nèi)計算的湍流黏度指數(shù)在7962kg/m-s，刀片位置的湍流黏度指數(shù)為8968kg/m-s，說明攪拌杯的結(jié)構(gòu)設(shè)計對湍流指標影響比較小，結(jié)構(gòu)性能良好。

3.2.2 流體速度評價結(jié)果

對攪拌杯不同區(qū)域的流體速度進行評價、分析，采用流場數(shù)值的計算方法，統(tǒng)計刀頭上方位置、側(cè)面位置、下方位置的流體速度，根據(jù)流體速度對攪拌杯所使用的破壁機性能指標進行綜合評價。當攪拌杯處于穩(wěn)定運行的狀態(tài)下，在0.035s內(nèi)刀片的旋轉(zhuǎn)速度達到9圈，且監(jiān)測所得的軸向速度值為負值，分析上方區(qū)域監(jiān)測點的流體速度監(jiān)測結(jié)果，對平均值和出渣率進行對比分析，5.85%的出渣率，監(jiān)測點刀頭的軸向速度達到3.15m/s。根據(jù)側(cè)面流體速度監(jiān)測結(jié)果可知，軸向運轉(zhuǎn)速度在每秒2.5m上下持續(xù)運轉(zhuǎn)，處于波動的狀態(tài)下，監(jiān)測點距離刀片的位置比較遠，攪拌杯內(nèi)的液體在刀片的帶動下掃掠了周邊的杯壁位置，碰撞后向杯子的中心方向流動，在循環(huán)的過程中實現(xiàn)對攪拌物的處理。監(jiān)測點的徑向流動速度為1.25m/s。根據(jù)攪拌杯下側(cè)位置的流體速度進行評價分析，攪拌杯底液的位置軸向流動速度比較小，甚至在操作過程中產(chǎn)生了死區(qū)，對下方那個流體軸向速度指標進行分析，其監(jiān)測點的軸向速度值為0.46m/s。

綜合分析攪拌杯及使用的破壁機的流體速度指標計算結(jié)果，由于其會受到攪拌杯位置、參數(shù)、路徑、體積等多種參數(shù)影響，軸向速度越快，則出渣率越低。計算結(jié)果顯示，攪拌杯及所使用的破壁機流體速度較好，性能較好。

3.2.3 刀頭力矩評價結(jié)果

力矩值對攪拌杯及攪拌杯所使用的破壁機出渣率性能影響比較大，計算力矩值在穩(wěn)定較大的時間內(nèi)，結(jié)構(gòu)刀頭的力矩值在1.85NM左右，雖然考慮到刀頭力矩值會受到刀頭結(jié)構(gòu)所影響，但攪拌杯及使用破壁機的功率、性能等也會對最終的結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。力矩值會受到刀片的轉(zhuǎn)速所影響，如果攪拌杯內(nèi)刀頭的轉(zhuǎn)速與刀片原始扭矩力一致，則出渣率也會有所降低。因此，對攪拌杯及攪拌杯所使用的破壁機進行分析，在穩(wěn)定攪拌狀態(tài)下對刀頭結(jié)構(gòu)的力矩值進行計算分析，分析其對出渣率的影響，兩者之間存在一定的關(guān)系，但影響程度比較小。但驗證結(jié)果可以佐證攪拌機及攪拌機所應(yīng)用的破壁機性能指標，其性能驗證結(jié)果良好，該攪拌杯及所使用的破壁機適用性、實用性較好[5]。

4.結(jié)語

本文所研究的攪拌杯性能良好，針對各類物體的攪拌均具有良好的適應(yīng)性，出渣率較高，且具有可調(diào)整功能，其所攪拌出的食物有著良好的口感，入口比較細膩。因此，設(shè)計人員在對攪拌杯以及破壁機進行研究時，應(yīng)重點考慮其質(zhì)量、性能、應(yīng)用價值、實用價值等，對其進行研究優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化。